Cum se calculează căldura obținută de calorimetru

La un moment dat din viața ta, probabil te-ai întrebat ce calorie este după ce a analizat o etichetă de informații nutriționale pentru un anumit aliment. În afară de ceva ce multora le place să vadă numere mai mici asociate atunci când scanează astfel de etichete, ce este o calorie?

Și cum adaugă „caloriile” masă sistemelor vii, dacă acest lucru se întâmplă de fapt? Și cum poți fi sigur că numărul de calorii enumerate pentru un anumit articol - fie această valoare liniștitoare sau deprimantă - a fost determinat cu acuratețe?

Căldură este una dintre multele proprietăți ale lumii ambientale pe care probabil le puteți descrie bine în câteva dintre propriile cuvinte bine alese, dar are un sens mai concentrat în științele fizice. Caloria este o măsură de căldură, la fel ca joul (J) și unitatea termică britanică (btu). Studiul schimbului de căldură este o ramură a științei fizice cunoscută sub numele de calorimetrie, care la rândul său se bazează pe dispozitivele numite calorimetre.

Intuitiv, s-ar putea să vă fie ciudat faptul că alimentele refrigerate sau congelate, cum ar fi înghețata și cheesecake, pot împacheta o mulțime din ceea ce se presupune căldură într-o porție mică. De asemenea, dacă caloriile se traduce cumva prin căldură, alimentele care furnizează mai mult din ele nu ar trebui să ducă la greutate

Acestea sunt întrebări bune și, după ce veți „arde” tot restul acestui articol, veți avea aceste răspunsuri și multe altele de urmat la următorul dvs. laborator de calorimetrie sau discuții despre nutriție sportivă.

Căldura poate fi considerată în principal ca energie termală. Ca și alte forme de energie, are unități de jouli (sau echivalentul în unități non-SI). Căldura este o cantitate evazivă prin faptul că este dificil de măsurat direct. În schimb, schimbările de temperatură în condiții experimentale controlate pot fi utilizate pentru a determina dacă un sistem a câștigat sau a pierdut căldură.

Faptul că căldura este tratată ca energie înseamnă că urmărirea ei este chiar un exercițiu matematic simplu dacă experimentele uneori îngreunează stabilirea condițiilor în care nu scapă nici o energie termică și evită măsurarea. Dar din cauza unor realități fundamentale precum legea conservării energiei, tabelarea cu căldură este destul de simplă în principiu.

Materialele au diferite niveluri de rezistență la schimbarea temperaturilor atunci când se adaugă o cantitate dată de căldură la o cantitate fixă ​​din acea substanță. Adică, dacă ați luat 1 kilogram de substanță A și 1 kilogram de substanță B și ați adăugat aceeași cantitate de căldură fiecăruia, fără căldură permisă nici să părăsească sistem, temperatura A ar putea crește cu doar o cincime la fel de mult ca și temperatura substanței B.

Acest lucru ar însemna că substanța A are o căldura specifică de cinci ori mai mare decât cel al substanței A, un concept care va fi explorat în detaliu mai jos.

„Caloria” listată pe etichetele nutriționale este de fapt o kilocalorie sau kcal. Deci, în realitate, o cutie tipică de sodă zahăr are aproximativ 120.000 de calorii, exprimate prin convenție ca o calorie în comunicarea de zi cu zi.

• Calor este cuvântul latin pentru, în mod adecvat, căldură.

Caloria este echivalentă cu aproximativ 4.184 J, ceea ce înseamnă că kcal tratat ca o calorie pe etichetele alimentelor este egal cu 4.184 J sau 4.184 kJ. Rata cheltuielilor de energie (jouli pe secundă) în știința fizică se numește putere, iar unitatea SI este wattul (W), egal cu 1 J / s. Prin urmare, o kcal este o cantitate suficientă de energie pentru a alimenta un sistem care fredonează de la 0,35 la 0,4 kW (350 J / s) timp de aproximativ 12 secunde:

P = E / t, deci t = E / P = 4,186 kJ / (0,35 kJ / s) = 12,0.

• Un sportiv de anduranță antrenat, cum ar fi un biciclist sau un alergător, este capabil să mențină o astfel de putere pe perioade lungi. Teoretic, atunci, o băutură energizantă de 100 de calorii (100 kcal) ar putea menține un ciclist olimpic sau un alergător de maraton mergând de aproximativ 100 de ori 12 secunde sau 20 de minute. Deoarece sistemul uman nu este aproape 100% eficient din punct de vedere mecanic, acesta necesită de fapt mai mult de 300 kcal pentru a funcționa la aproape capacitatea aerobă maximă pentru această perioadă.
  

calorie este definit ca cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii de 1 gram de apă cu 1 grad Celsius. O problemă cu aceasta este că există o ușoară variație a c de apă cu temperatura în intervalul de temperaturi la care H₂O este un lichid. „Specific” în „căldură specifică” se referă nu numai la anumite materiale ci la o anumită temperatură.

• Căldurile specifice ale majorității materialelor sunt date la 20

  ° C sau 25 ° C.

Din punct de vedere tehnic, termenii „capacitate de căldură” și „capacitate de căldură specifică” înseamnă lucruri diferite, chiar dacă este posibil să le vedeți folosite interschimbabil în surse mai puțin riguroase.

Capacitatea de căldură, când a fost inventată inițial, se referea pur și simplu la cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un întreg obiect (care poate fi realizat din mai multe materiale) cu o cantitate dată. Capacitatea de căldură specifică se referă la cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura de 1 gram a unui material specific cu 1 grad Celsius sau Kelvin (° C sau K).

• În timp ce scalele de temperatură Celsius și Kelvin nu sunt aceleași, ele sunt diferite cu o cantitate fixă, ca ° C + 273 = K unde K nu poate fi negativ. Aceasta înseamnă că o modificare numerică dată a temperaturii într-o scară produce aceeași magnitudine a schimbării în cealaltă, spre deosebire de cazul interconversiilor Fahrenheit-Celsius.

În loc să scurtezi „capacitatea de căldură specifică” la „capacitatea de căldură”, folosește în schimb termenul căldura specifică, așa cum este convenția în surse reputate.

Scopul unui calorimetru este de a captura căldura eliberată într-un anumit proces, cum ar fi o reacție chimică exotermă, care altfel s-ar pierde în mediul înconjurător. Când se cunosc schimbările de temperatură ale sistemului și masa și căldura specifică a ansamblului calorimetru, se poate determina cantitatea de căldură introdusă în sistem prin proces. Exemple sunt furnizate într-o secțiune ulterioară.

Un calorimetru poate fi construit dintr-un număr de materiale diferite, cu condiția ca acestea să fie izolante (adică să nu permită transferul de căldură; termenul este folosit și în electromagnetism pentru a se referi la rezistența împotriva transferului de sarcină electrică).

O versiune obișnuită poate fi făcută dintr-o ceașcă din polistiren și un capac bine montat. În acest calorimetru pentru ceașcă de cafea, apa este de obicei utilizată ca solvent, iar un termometru și (dacă este necesar) bățul de agitare sunt montate perfect prin găuri mici în capacul paharului.

Modificarea căldurii unui sistem închis (pozitivă prin definiție în cazul unui calorimetru) este dată de produs al masei sistemului, capacitatea termică a calorimetrului și modificarea temperaturii sistem:

Unde:

• Q = căldură evoluată (egală cu căldura absorbită - căldură degajată) în jouli (J)
• m = masa în kilograme (kg)
• c = capacitatea specifică de căldură în J / kg⋅ ° C (sau J / kg⋅K)
• ∆T = schimbarea temperaturii în ° C (sau K)

Căldura care este eliberată de orice reacție chimică exotermă (care eliberează căldură) are loc în calorimetru s-ar dispersa în mod obișnuit în mediu. Aceasta este o pierdere calculată până la o modificare a unei cantități termodinamice cunoscută sub numele de entalpia care descrie atât energia internă a sistemului, cât și schimbările în relația presiune-volum a sistemului. Această căldură este în schimb prinsă între solvent și capacul cupei.
Anterior, a fost introdusă ideea conservării energiei. Deoarece căldura care intră în calorimetru trebuie să fie egală cu căldura eliberată de sistem în interiorul calorimetrului format din reactanți și produse în sine, semnul schimbării căldurii pentru acest sistem este negativ și are aceeași magnitudine cu căldura câștigată de calorimetru.

Afirmațiile de mai sus și afirmațiile conexe presupun că doar caloric sau cantități neglijabile de căldură nu scapă din calorimetru. Căldura se deplasează din zonele mai calde în cele mai reci atunci când nu există izolație, deci fără o izolație adecvată, căldura va părăsi ansamblu calorimetru pentru mediul ambiant, cu excepția cazului în care temperatura mediului este mai caldă decât cea a calorimetru.

Următorul grafic include căldura specifică în J / kg⋅ ° C a unor elemente și compuși frecvent întâlnite.

• H₂O, gheață: 2,108
• H₂O, apă: 4,184
• H₂O, vapori de apă: 2.062
• Metanol: 2,531
• Etanol: 2.438
• Benzen: 1.745
• Carbon, grafit: 0,709
• Carbon, diamant: 0,509
• Aluminiu: 0,897
• Fier: 0,449
• Cupru: 0,385
• Aur: 0,129

• Mercur: 0.140

• Sare de masă (NaCI): 0,864

• Cuarț: 0,742
• Calcit: 0,915

Rețineți că apa are o capacitate de căldură neobișnuit de mare. Este probabil contraintuitiv faptul că un gram de apă se va încălzi cu mai puțin de o zecime cât un gram de apă având aceeași cantitate de căldură adăugată, dar acest lucru este important pentru viața de pe planetă.

Apa reprezintă aproximativ trei sferturi din corp, ceea ce vă permite să tolerați oscilații majore ale temperaturii mediului. Mai larg, oceanele acționează ca rezervoare de căldură pentru a ajuta la stabilizarea temperaturilor la nivel mondial.

Acum sunteți gata pentru unele calcule care implică calorimetre.
Exemplul 1: În primul rând, luăm cazul simplu al unui gram de hidroxid de sodiu (NaOH) dizolvat în 50 ml de apă la 25 ° C. Luați capacitatea de căldură a apei la această temperatură să fie de 4,184 J / kg⋅ ° C și considerați că cei 50 ml de apă au o masă de 50 de grame sau 0,05 kg. Dacă temperatura soluției crește la 30,32 ° C, câtă căldură este câștigată de calorimetru?

Aveți Q = mc∆T = (0,05 kg) (4,184 kJ / kg⋅ ° C) (30,32 - 5,32 ° C)

= 1,113 kJ sau 1,113 J.

Exemplul 2: Acum luați în considerare cazul unei unități de stocare a energiei solare la domiciliu, un dispozitiv devenind din ce în ce mai popular în timp. Să presupunem că acest dispozitiv folosește 400 L de apă pentru stocarea energiei termice.
Într-o zi senină de vară, temperatura inițială a apei este de 23,0 ° C. Pe parcursul zilei, temperatura apei crește la 39,0 ° C pe măsură ce circulă prin „peretele de apă” al unității. Câtă energie a fost stocată în apă?

Din nou, presupunem că masa apei este de 400 kg, adică densitatea apei poate fi considerată a fi exact 1,0 în acest interval de temperatură (aceasta este o simplificare).

Ecuația de interes de această dată este:

Q = mc∆T = (400 kg) (4.184 kJ / kg⋅ ° C) (39 ° C - 23 ° C)

= 26.778 J = 26.78 kJ.

Aceasta este suficientă energie pentru a alimenta un încălzitor de 1,5 kW timp de aproximativ 17 secunde:

(26,78 kJ) (kW / (kJ / s) / (1,5 kW) = 17,85 s

Cel mai probabil, proprietarii de case au planificată o altă utilizare dacă locuiesc într-o casă solară.

Puteți utiliza calculatoare online care vă permit să convertiți cu ușurință între unități de căldură specifice, inclusiv unități neobișnuite, dar nu complet stinse, cum ar fi Btu / lb_m^oF.